УДК 551.521.3
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕВОЗМУЩЕННОЙ МЕЗОСФЕРЫ НА ОСНОВЕ ШИРОКОУГОЛЬНОЙ ПОЛЯРИМЕТРИИ ФОНА
СУМЕРЕЧНОГО НЕБА
© 2013 г. О. С. Угольников1, И. А. Маслов1 2
Институт космических исследований РАН, г. Москва 2Государственнъш астрономический институт им. П.К. Штернберга, г. Москва Поступила в редакцию 26.07.2012 г.
В работе описываются результаты первых широкоугольных поляризационных измерений фона сумеречного неба в центральной России в начале лета 2011 года. Быстрые измерения интенсивности и поляризации фона неба в широком диапазоне зенитных расстояний используются для выделения однократного и многократного рассеяния и построения высотной зависимости коэффициента рассеяния и его поляризации в мезосфере (высоты от 60 до 90 км) для разных углов рассеяния. Невозмущенная структура мезосферы без заметных аэрозольных слоев позволяет оценить температуру на данных высотах.
Б01: 10.7868/80023420613040080
1. ВВЕДЕНИЕ
Сумеречное зондирование атмосферы Земли является хорошо известным методом изучения ее оптической структуры. Данный метод используется уже больше века, первая численная теория была построена в 1923 году [1, стр.7]. До начала эпохи лидарных, самолетных и спутниковых измерений этот метод (наряду с наблюдениями метеоров) был единственным способом изучения верхних слоев атмосферы.
В настоящее время метод остается актуальным для ряда атмосферных слоев, в частности, для ме-зосферы. Этот слой слишком высок для самолетов и большей части лидаров, но при этом слишком низок и плотен для полета спутников. Он также характеризуется высокой прозрачностью, что затрудняет его удаленное зондирование на основе измерений поглощения излучения (эффективных для тропосферы и стратосферы). Основным методом оптического изучения мезосферы является измерение рассеянной радиации.
Мезосфера является промежуточным слоем между плотной нижней частью атмосферы и ее разреженными внешними слоями, обладающими принципиально иными физическими свойствами. Частицы космической пыли, встречающиеся с Землей, задерживаются в мезосфере, причем малые частицы теряют в ней кинетическую энергию, не сгорая. Плотность таких частиц возрастает после максимумов больших метеорных потоков [2, стр. 1585]. Мезосфера также является наиболее холодным атмосферным слоем. Летние значения температур в средних широтах могут
опускаться до 180 К. В таких условиях возможно образования полярных мезосферных (или серебристых) облаков, самых высоких в атмосфере Земли. Роль ядер конденсации для них могут играть частицы космической пыли.
Основным преимуществом сумеречного метода зондирования атмосферы является возможность одновременных измерений фона неба в разных его точках в течение всего периода сумерек. Это позволяет определить функцию рассеяния единицы объема в широком диапазоне углов рассеяния, что труднее сделать с помощью лидар-ных или космических измерений. Рост высоты тени Земли по ходу сумерек, достаточно быстрый по сравнению со временем изменения свойств атмосферы, позволяет охватывать широкий диапазон высот.
Возможности сумеречного неба для исследований мезосферы обсуждались в течение многих лет [3, стр. 291]. Основным фактором, ограничивающим диапазон высот, является многократное рассеяние солнечного излучения, прежде всего, в нижних слоях атмосферы. По оптимистическим оценкам, вклад однократного рассеяния остается существенным в течение всего периода сумерек, что расширяет диапазон высот вплоть до термосферы. С другой стороны, анализ наблюдательных эффектов [4, стр. 115] и более точное численное моделирование, ставшее возможным лишь недавно [5, стр. 300], ограничивает рабочий диапазон метода мезопаузой.
Измерение поляризации фона сумеречного неба расширяет информацию о свойствах рассеи-
I, отн. ед., зенит
ИТ, час
Рис. 1. Интенсивность фона сумеречного неба в зените. Эффект частного солнечного затмения заметен вблизи локальной полуночи в ночь с 1.У1.
вающей среды на разных высотах и одновременно уточняет процедуру отделения многократно рассеянной компоненты. Основа поляризационного метода заложена в работе [6, стр. 198]. Поляризационные данные использовались для определения вклада многократного рассеяния в период светлых сумерек [7, стр. 171, 8, стр. 248], этот вклад оказался большим, чем считалось ранее [3, стр. 298], но его значение оказалось в хорошем согласии с данными численного интегрирования [9, стр. 237]. Ход величины поляризации фона сумеречного неба определялся, в основном, изменениями соотношения интенсивностей однократного (молекулярного и аэрозольного) и многократного рассеяния [10, стр. 1459].
Измерения поляризации фона неба вблизи зенита позволили обнаружить появление пылевой компоненты в стратосфере [11, стр. 202] и мезо-сфере [10, стр. 1460], что было связано с извержением вулкана Рабаул в 2006 году и мощным максимумом метеорного потока Леониды в 2002 году соответственно. Небольшое поле зрения камеры (около 8°) не позволило изучить эти рассеивающие компоненты количественно и построить для них матрицы рассеяния. В настоящей работе обсуждаются первые результаты широкоугольных измерений поляризации фона сумеречного неба с особым акцентом на период темных сумерек и самый высокий слой атмосферы, который может изучаться подобным образом — верхнюю мезо-сферу.
2. НАБЛЮДЕНИЯ
Широкоугольные поляризационные измерения фона неба были начаты в центральном районе России (55.2° с.ш., 37.5° в.д.), в 60 км к югу от Москвы. Измерительный прибор представляет
собой объектив типа "рыбий глаз" с двумя переходными линзами и ПЗС-матрицей Meade DSI-Pro. Вращающийся поляризационный фильтр установлен вместе с системой переходных линз, что обеспечивает малый осевой угол при прохождении света сквозь фильтр. Зеленый фильтр Meade G и ИК-блокирующий фильтр выделяли полосу с эффективной длиной волны 540 нм и шириной около 100 нм. Диаметр поля зрения камеры составлял около 140°. Ось камеры направлялась в зенит, точные параметры ориентации определялись по изображениям звезд в период темных сумерек и ночи. Измерения начинались вечером до захода Солнца, продолжались всю ночь и заканчивались утром после восхода Солнца. Величина экспозиции менялась от 0.001 сек в светлый период до 15 сек вблизи полуночи. Частота съемки составляла 1 кадр в 2 сек в светлые сумерки (что существенно больше аналогичной величины во всех предшествующих экспериментах) и уменьшалась до 1 кадра в 18 сек ночью. Поляризационный фильтр поворачивался на 120° каждые 20 сек в светлые сумерки и каждые 2 минуты ночью. Данный интервал содержал серию из нескольких кадров, а интервал интерполяции для вычисления величины поляризации был существенно короче характерного времени изменения яркости сумеречного неба.
Данная работа основана на данных двух последовательных ночей 31.V и 1.VI.2011. Эти ночи характеризовались стабильной ясной погодой и высокой прозрачностью атмосферы. Они также совпали с новолунием (1.VI.2011), и фон сумеречного неба не содержал компоненты, связанной с рассеянием лунного света. Период раннего лета особо интересен тем, что он совпадает с сильным выхолаживанием верхней мезосферы перед появлением в ней серебристых облаков. В это время в средних широтах период сумерек не прерывается даже в полночь, но он содержит длинный отрезок темных сумерек (зенитное расстояние Солнца z0 более 99—100°). Это увеличивает временную плотность данных и точность метода.
На рис. 1 показаны зависимости интенсивности фона неба в зените от Всемирного времени (UT) в течение обеих ночей. Кривые достаточно близки друг к другу, но яркость неба в ночь с 1.VI характеризуется более глубоким полночным минимумом, вызванным частным солнечным затмением, произошедшим в эти часы и уменьшившим приток солнечного излучения в атмосферу примерно в 2 раза. Так как это затмение не было полным и произошло в период темных сумерек при доминирующем вкладе многократного рассеяния, оно вызвало одинаковое уменьшение рассеянного фона по всему небу, что не сказалось на полученных далее характеристиках рассеяния света в мезосфере.
к (—г, г0)
4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5
Без фона ночного неба
'С
Рис. 2. Геометрия однократного рассеяния света в период сумерек.
Геометрия однократного рассеяния в период сумерек показана на рис. 2. Зенитное расстояние Солнца г0 превосходит 90°, и нижние слои атмосферы над наблюдателем (точка О) погружены в тень Земли. Более того, солнечное излучение, проходящее над границей тени сквозь приземные слои атмосферы, испытывает существенное ослабление. Эффективное рассеяние света соответствует траектории, проходящей на минимальной высоте Н над поверхностью Земли (модель "сумеречного луча" [3, стр. 242]). В период темных сумерек на длине волны 540 нм эта величина составляет 18 км (значение вычисляется с учетом полос Шаппюи поглощения озона при его общем содержании 300 единиц Добсона).
Такое значение величины Н позволяет в некотором приближении пренебречь атмосферной рефракцией, так как максимальный угол рефракции р (для луча, горизонтально идущего сквозь нижнюю атмосферу на данной высоте и достигающего затем мезосферы) равен около 6' или 2 • 10-3 радиан, что составляет всего 40% от видимого радиуса Солнца. Уменьшение высоты точки рассеяния не превзойдет Я (г0—я/2) р или 2 км (здесь Я — радиус Земли), что меньше вертикального разрешения сумеречного метода зондирования мезо-сферы.
86 88 90 92 94 96 98 100 102 104 Зенитное расстояние Солнца, градусы
Рис. 3. Отношение интенсивностей фона неба в симметричных точках солнечного вертикала.
Обозначим зенитное расстояние точки измерения как г. Пусть эта точка располагается на солнечном вертикале, и значение г положительно в области зари и отрицательно в противоположной части неба. Когда Солнце располагается вблизи горизонта, сумеречный луч почти горизонтален, и эффективная высота рассеяния к(г,г0) не обладает сильной зависимостью от г. Ситуация меняется в период темных сумерек, когда эта зависимость усиливается и приводит к существенному преобладанию яркости в области зари (рисунок 2) с положительным значением г.
Этот эффект проявляется на рис. 3, где показ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.